Displacement Sensors คืออะไร ? ใช้งานอย่างไร ?

การตรวจสอบคุณภาพของชิ้นงานการผลิต เป็นขั้นตอนที่สำคัญมาก ผู้ผลิตจำเป็นต้องตรวจสอบความเรียบร้อยของชิ้นงานเพื่อให้ได้มาตรฐาน  โดยปัจจุบันมีการนำเทคโนโลยีเข้ามาประยุกต์ใช้ในกระบวนการนี้มากมาย โดยเฉพาะการนำ “เลเซอร์” เข้ามาเป็นตัวช่วยในการตรวจสอบชิ้นงาน  โดยเฉพาะชิ้นงานที่มีขนาดเล็ก และยังสามารถอ่านค่าได้อย่างละเอียดและรวดเร็วอีกด้วย

Displacement Sensors คืออะไร?

Displacement Sensor คือ อุปกรณ์ตรวจจับตำแหน่ง, ระยะทาง, ขนาด, รูปร่าง, และระดับของชิ้นงาน หรือเรียกอีกอย่างว่า เซนเซอร์วัดระยะ สามารถตรวจจับวัตถุได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับวัตถุโดยตรง ทำให้ชิ้นงานที่ต้องการตรวจสอบไม่เกิดรอยหรือเกิดการชำรุดเสียหาย  

หลักการทำงานของ Displacement Sensors จะใช้ลำแสงเลเซอร์เป็นตัวส่ง ด้วยการยิงลำแสงเลเซอร์ไปยังวัตถุและสะท้อนกลับมายังตัวรับของเซ็นเซอร์ ตัวรับจะทำการประมวลผลค่าแสงที่สะท้อนกลับมา แล้วแสดงผลออกมาในรูปแบบตัวเลขผ่านหน้าจอแสดงผลแบบ Digital สามารถบอกค่าเป็นอนาล็อค และเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์หรือ PLC ได้ 

เหมาะสำหรับการใช้งานการตรวจสอบชิ้นงานขนาดเล็ก วัดความหนาบาง วัดการแอ่นตัว ด้วยความละเอียดระดับไมครอน จึงมีความเที่ยงตรงและแม่นยำในการตรวจจับวัตถุสูง สามารถแยกแยะวัตถุที่มีความสูงต่างกันเพียงเล็กน้อยได้

ตัวอย่างการใช้งาน Displacement Sensor

• วัดความหนา : การวัดความหนาของเหล็กแผ่นว่ารีดเสมอกันหรือไม่ หรือ ความหนาของกระจกลามิเนตอยู่ในเกณฑ์มาตรฐานหรือไม่
• วัดความสูงและระดับ : การวัดความสูงและระดับของแผงวงจร หรือ PCB ว่าจัดแนวเสมอกันหรือไม่ มีความผิดปกติบนชิปที่ประกอบบน PCB หรือไม่
• วัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก : การวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของส่วนประกอบทรงกระบอกที่ผลิตในปริมาณมาก เพื่อพิจารณาว่าส่วนประกอบนั้นยอมรับได้หรือไม่
• วัดชิ้นงานบิดงอและความแบน : การวัดพื้นผิวแก้วบิดงอหรือไม่  ส่วนประกอบโลหะขัดเงาแบนหรือไม่ ฯลฯ
• วัดการจัดวางและตำแหน่ง : การวัดการจัดวางโมดูลกล้อง ว่าหน่วยที่นำมาประกอบกันมีตำแหน่งที่ถูกต้องหรือไม่
• วัดรูปทรง 3 มิติ : นอกเหนือจากการตรวจสอบการบิดงอของชิ้นส่วนประกอบแล้ว ยังสามารถวัดการบิดงอในทุกทิศทางบนพื้นผิวที่เรียบ แทนที่จะวัดเพียงเส้นเดียวได้

เซนเซอร์วัดระยะ มีใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม เช่น งานอุตสาหกรรม ยานยนต์ มอเตอร์สปอร์ต เกษตรกรรม การบินและอวกาศ วิทยาการหุ่นยนต์ และอื่นๆ อีกมากมาย

• อุตสาหกรรมยานยนต์และมอเตอร์สปอร์ต (Automotive and Motorsport) – ในอุตสาหกรรมนี้  สามารถใช้เซนเซอร์วัดระยะกับระบบบังคับเลี้ยว (Steering system) ระบบระบบคันเร่งแบบไฟฟ้า( Electronic Throttle Control) ระบบกันสะเทือน และการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย

• อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิคส์และเซมิคอนดักเตอร์ (Semiconductor)  – ชิ้นส่วนที่ป้อนเข้าเครื่องมีการทับซ้อนกันมากกว่าหนึ่งชิ้นหรือไม่ ชิ้นส่วนอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องหรือไม่ 
• ระบบอัตโนมัติในโรงงาน (Factory Automation) – สามารถใช้ Displacement Sensor สำหรับการวัดความเร็วของสายพานลำเลียง ใช้กับเครื่องติดฉลากเพื่อควบคุมคุณภาพกระบวนการพิมพ์บรรจุภัณฑ์
• การใช้งานทางการแพทย์ (Medical Applications) – ใช้ Displacement Sensor ในเครื่องจักรทางการแพทย์ เช่น เครื่องเอ็มอาร์ไอ (Magnetic Resonance Imaging : MRI) 

หลักการทำงานและการจำแนกประเภท Displacement Sensors

เซนเซอร์มีหลายประเภท ให้เลือกใช้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่ใช้ เช่น Optical Displacement Sensors, Linear Proximity Sensors และ  Ultrasonic Displacement Sensors การเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดตามการใช้งาน ความแม่นยำที่ต้องการ และสภาพแวดล้อมการใช้งานเป็นสิ่งจำเป็น

รวมแสงจากแหล่งกำเนิดแสงด้วยเลนส์ แล้วยิงลำแสงไปสู่วัตถุ แสงสะท้อนกลับจากวัตถุเข้าสู่เลนส์รับ แล้วส่งไปยังอุปกรณ์ตรวจจับตำแหน่งแบบหนึ่งมิติ (PSD) หากตำแหน่งของวัตถุ (ระยะห่างจากอุปกรณ์วัด) เปลี่ยนไป ตำแหน่งรูปแบบของภาพบน PSD จะแตกต่างกันและความสมดุลของเอาต์พุต PSD ทั้งสองก็จะเปลี่ยนไป

เมื่อเทียบกับเซนเซอร์ที่ใช้หลักการแบบ PSD เซนเซอร์ที่ใช้ CMOS หรือ CCD เป็นตัวรับแสง ให้การวัดระยะที่แม่นยำกว่า โดยไม่ได้รับผลกระทบจากสีและลักษณะพื้นผิวของวัตถุ

เซนเซอร์รับภาพแบบ CMOS หรือ CCD จะตรวจจับปริมาณแสงในแต่ละพิกเซล แล้วแปลงเป็นระยะห่างเมื่อมีลำแสงสะท้อนกลับจากพื้นผิวของวัตถุไปยังตัวรับแสง

• เซนเซอร์รับภาพแบบ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – มีลักษณะเป็นเซนเซอร์ Pixel  ซึ่งทำหน้าที่ในการรับแสงและแปลงสัญญาณ มีข้อได้เปรียบเรื่องของความเร็วและการใช้พลังงานที่น้อย

หลักการวัดระยะแบบการสะท้อนปกติ 

จะเกิดแสงสะท้อนแบบ Specular เมื่อลำแสงเลเซอร์ถูกปล่อยออกไปยังวัตถุ โดยทำมุมทแยง แล้วสะท้อนกลับมายังตัวรับข้อมูล จะมีค่ามุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนกลับ จึงทำให้เหมาะกับชิ้นงานโปร่งใส โลหะ หรือ วัตถุที่มันเงามากเป็นพิเศษ มีความละเอียดมากกว่าแบบ Diffuse  แต่มีช่วงการวัดที่แคบกว่า แบบ Diffuse

หลักการวัดระยะแบบการสะท้อน Diffuse 

ลำแสงเลเซอร์จะฉายไปยังวัตถุเป้าหมายในแนวตั้งฉากลงบนพื้นผิวของวัตถุ และรับแสงสะท้อนกลับแบบกระจาย จะใช้หัวเซนเซอร์ที่เอียงทำมุมเพื่อรับแสงที่สะท้อนกลับมายังตัวรับข้อมูล ช่วยให้วางหัวเซนเซอร์ไว้ห่างจากวัตถุได้ จึงสามารถวัดค่าระยะทางไกล หรือพื้นที่การวัดที่กว้างได้ แต่ไม่เหมาะกับชิ้นงานโปร่งใส หรือ วัตถุที่มันเงา เนื่องจากวัตถุเหล่านั้นสะท้อนแสงได้ดีเป็นพิเศษ

Line Beam Model

เซนเซอร์รุ่นนี้วัดการระยะเฉลี่ยภายในลำแสงเลเซอร์แบบ Line Beam ให้การวัดที่เสถียร โดยไม่ได้รับผลกระทบจากการกระแทกหรือความไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวของวัตถุ

Spot Beam Model

เซนเซอร์รุ่นนี้ใช้แสงที่ส่องเคลื่อนที่เจาะจงเป็นจุด ทำให้อ่อนไหวต่อการกระแทก หรือความไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวของวัตถุ

เซนเซอร์แบบคอนโฟคอล โดยอาศัยหลักการทำงานของเลเซอร์ให้แสงที่เป็นแบบจุดและมีรูรับแสงที่มีขนาดเล็กมาก แสงที่ปล่อยออกมาและแสงที่สะท้อนกลับจะอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน จึงสามารถกำจัดแสงนอกโฟกัสได้ ส่งผลให้มีความคมชัดของภาพมากขึ้นกว่าเซนเซอร์รุ่นอื่นๆ ทำให้สามารถวัดค่าที่มีความละเอียดสูง ตรวจสอบความลึก ความสูงของพื้นผิวได้

ตามหลักการการวัดระยะแบบ Confocal เลเซอร์จะให้แสงที่ปล่อยออกมาและแสงที่สะท้อนกลับจะอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน และสามารถกำจัดแสงที่อยู่นอกเหนือโฟกัสได้  (light waveform ) จะส่งผลให้เกิดความคมชัดของภาพมากกว่าเซนเซอร์รุ่นอื่น ๆ

เซนเซอร์พิเศษเทคนิค White Light Confocal เพิ่มประสิทธิภาพการตรวจวัดวัตถุที่มีความแตกต่างกันในแง่พื้นผิวไม่ว่าจะเป็นผิวหยาบ ผิวสะท้อนแสง

หลักการคือการใช้แสงในย่านสีต่างๆ มากมาย รวมกันเป็นแสงสีขาวในการตรวจวัด เมื่อยิงไปสู่วัตถุ แสงแต่ละสีจะตอบสนองต่อผิวสัมผัสต่างกัน ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณระยะห่างจากหัวเซนเซอร์ไปยังวัตถุที่วัดได้โดยใช้สีของแสงสะท้อน ให้การวัดที่แม่นยำแม้ว่าพื้นผิววัสดุหรือรูปทรงจะมีความแตกต่างกัน

เซนเซอร์วัดระยะแบบ White Light Confocal จะสามารถป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่าระบบการวัดแบบสามเหลี่ยมและเซนเซอร์คอนโฟคอลรุ่นก่อน 

• White Light Confocal –  เป็นเซนเซอร์ชนิดพิเศษ โดยใช้เทคนิค White Light Confocal ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจวัดวัตถุที่มีความแตกต่างกัน ทั้งผิวหยาบ  ผิวสะท้อนแสง ผิวที่มีความลาดเอียง

OCFL Module ประกอบด้วยชุดเลนส์พิเศษที่พัฒนาโดย OMRON ที่เปลี่ยนจุดโฟกัสสีสะท้อนของแสงสีขาวแต่ละสี (เช่น ความยาวคลื่น) เส้นผ่านศูนย์กลางของจุดจะเท่ากันในทุกตำแหน่งภายในช่วงการวัด ด้วยเทคโนโลยีการผลิตเลนส์ที่มีความแม่นยำสูง ช่วยให้ได้โครงสร้างเลนส์ที่มีขนาดเล็กมาก และไม่ต้องใช้กลไกขับเคลื่อน

แสงเลเซอร์จะฉายอย่างทั่วถึงบนวัตถุ เพื่อวัดรูปร่างหน้าตัดของชิ้นงานนั้น ลำแสงเลเซอร์จะมีลักษณะเป็นแถบกว้างเพื่อฉายบนวัตถุอย่างครอบคลุม และมีตัวรับแสงสะท้อนจากวัตถุแบบ CCD รูปทรงของวัตถุจะถูกสร้างขึ้นตามหลักการวัดระยะแบบสามเหลี่ยม แต่สามารถวัดแกน X และ Z พร้อมกันได้ โดยไม่จำเป็นต้องย้ายเซนเซอร์หรือวัตถุ

เซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการทำงานจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก บริเวณส่วนหัวของเซนเซอร์จะมีสนามแม่เหล็กซึ่งมีความถี่สูง โดยได้รับสัญญาณมาจากวงจรกำเนิดความถี่ เมื่อมีวัตถุหรือชิ้นงานที่เป็นโลหะ เข้ามาอยู่ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กสามารถส่งไปถึง จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำ แล้วทำการส่งสัญญาณควบคุมออกมา 

สามารถตรวจจับวัตถุทั้งในระยะใกล้และไกลได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ เช่น การตรวจจับชิ้นงานที่ไม่สมบูรณ์ ตรวจจับสิ่งของ ตรวจจับความเร็วรอบ ตรวจจับระดับน้ำในถังพลาสติก ตรวจจับกล่องเพื่อนับจำนวน เป็นต้น

อีกทั้งเซนเซอร์ชนิดนี้ยังมีความทนทาน สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง หรือแม้อยู่ในสภาวะที่มีการรบกวนของแสงและเสียงได้

เซนเซอร์ชนิดนี้ใช้หลักการสะท้อนของคลื่นความถี่เสียงในการตรวจจับวัดถุต่างๆ โดยการส่งคลื่นความถี่เสียงในช่วง Ultrasound ไปยังวัตถุหรือชิ้นงาน แล้วรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากวัตถุนั้นมาคำนวณหาค่าระยะทาง โดยการคำนวณความสัมพันธ์ระหว่างเวลาในการเดินทางของคลื่น กับความเร็วของเสียง

ด้วยหลักการดังกล่าวทำให้สามารถนำ  Ultrasonic Displacement Sensors มาประยุกต์ใช้งานในรูปแบบต่างๆได้อย่างมากมาย ตรวจจับวัตถุได้หลากหลาย และสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้ดี เนื่องจากคลื่น Ultrasound สามารถเดินทางผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ก๊าซ ของเหลว หรือ ของแข็งได้ 

เซนเซอร์ชนิดนี้จะวัดระยะผ่านการสัมผัสวัตถุโดยตรง จึงให้ความแม่นยำในการวัดที่เหนือกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเซนเซอร์แบบไร้สัมผัส แต่ก็มีระยะการใช้งานที่สั้นกว่า เซนเซอร์ชนิดนี้มีหลายรูปแบบให้เลือกใช้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการทำงาน และวัตถุที่ต้องการวัด  

• เซนเซอร์สัมผัสวัตถุที่ทำงานโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำตามตำแหน่งการเคลื่อนที่
• เซนเซอร์สัมผัสวัตถุที่ใช้หลักการตรวจจับแม่เหล็ก

ในการผลิตแบบอัตโนมัติ สินค้าหรือชิ้นส่วนจะถูกป้อนเข้าอัตโนมัติด้วยเช่นกัน การตรวจสอบความเรียบร้อยของชิ้นงานเข้าจะมีความสำคัญมาก มีการนำเซนเซอร์ที่มีการใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมายและสามารถพบได้รอบตัวเรา

 Displacement sensor นับเป็นอีกเทคโนโลยีที่มีการทำงานทรงประสิทธิภาพ สามารถตรวจจับระยะทางและขนาดชิ้นงานแบบไม่สัมผัสกับวัตถุ วัดได้แม้แต่วัตถุที่มีรูปทรงที่ซับซ้อนและมีขนาดเล็ก เหมาะสำหรับการใช้งานการตรวจสอบชิ้นงานขนาดเล็ก วัดความหนาบาง วัดการแอ่นตัว ให้ความสเถียรในการวัดโดยที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแสงโดยรอบหรือแสงที่กระจาย และตอบโจทย์การทำงานในการลดข้อผิดพลาดในไลน์การผลิต  

หากมีข้อสงสัยหรือสนใจในเรื่องของ Sensor ชนิดต่าง ๆ รวมถึงอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบ Automation การจัดการและความปลอดภัยภายในโรงงาน สามารถดูสินค้าที่เกี่ยวข้องได้ ที่นี่ หรือเลือกบริการขอคำปรึกษาจากทีมงานผู้เชี่ยวชาญ